JP2007110715A

JP2007110715A - 高精度測距に関するハイブリッド型高周波ネットワーク

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Publication number: JP2007110715A
Application number: JP2006275360A
Authority: JP
Inventors: Richard Dean Roberts; ディーンロバーツリチャード
Original assignee: Harris Corp
Current assignee: Harris Corp
Priority date: 2005-10-12
Filing date: 2006-10-06
Publication date: 2007-04-26
Also published as: EP1775848A1; CA2563019A1; US20070081505A1

Abstract

【課題】精確なUWB測距を提供しつつ、データネットワークの全体としてのパフォーマンスを大幅に改善する。
【解決手段】無線ネットワークは二つ以上のノード（３００）を含むことができる。各ノードは、超広帯域（UWB）測距技術を使ってノード間のレンジを決定するよう構成されたUWBトランシーバ（３０４）を有している。各ノード（３００）はさらに、狭帯域無線プロトコルを使って各ノード（３００）間でデータを通信するための狭帯域トランシーバ（３０２）を有している。
【選択図】図３

Description

本発明の構成は超広帯域の高周波（RF）システムに、より詳細にはそのようなシステムと統合するために有用なコマンド及び制御システムに関係する。

超広帯域（UWB: ultra-wideband）通信システムは一般に、500MHzを超えるスペクトルを占めるもの、あるいは0.2を超える比帯域幅を有するものとして定義されている。UWB通信システムは一般にインパルスベースのシステムとして実装されてきた。パルス長は200ピコ秒などといった非常に短い継続時間でありえ、比較的低出力である。UWBの変調技術はさまざまだが、パルス位置変調（PPM: pulse position modulation）、パルス振幅変調（PAM: pulse amplitude modulation）、オン・オフ・キーイング（OOK: on-off keying）、二状態位相偏移符号化（BPSK）を含むことができる。

UWBシステムは広範な用途との関連での使用のためにますます関心が高まっている。たとえば、UWBシステムは比較的短距離での非常に高いデータレートの可能性を秘めているし、干渉やマルチパスに強いし、伝統的な技術を使った傍受が困難である。長めの距離では、UWB通信システムは一般に低めのデータレートを提供するが、基本的なアプローチは位置追跡および測距の用途に好適であることが見出されている。たとえば、Fullertonらに対する米国特許第6,133,876号は測距システムを開示している。UWB測距技術の一つの著しい利点は、その本来的に広い帯域幅のため、１メートルより短い測距性能を提供するということである。到着時刻（TOA: time of arrival）、一方向測距（OWR: one way ranging）、二方向測距（TWR: two way ranging）、到着時間差（TDOA: time difference of arrival）および受信信号強度指標（RSSI: received signal strength indicator）はみな、UWB測距システムとの関連で使うべく当技術分野において知られている技術である。これらのシステムのすべては、UWB分野の当業者の間でよく理解されている利点および欠点を有する。

UWB信号に関しては非常に大きな処理利得を得ることができる。たとえば、そのような処理利得は50dB程度の範囲になりうる。このかなりの処理利得はUWBシステムにおいては非常に重要である。UWBシステムが典型的には非常に低い送信出力で動作するものであり、そこそこのカバー範囲を達成するためには処理利得が必要であるためである。処理利得はカバー範囲において大いなる利点を提供するが、そのような処理の欠点は、取得および同期を実行するのにかかる時間である。結果として、UWBパケットは比較的低いデータレートで送る必要がある。たとえば、データレートは数GHzの帯域幅を使うUWBシステムにおいては10ないし100kbpsのオーダーでありうる。

伝統的には、UWBネットワークは測距およびデータの両方の目的のために使われてきた。そのようなシステム内においては、取得されたUWB測距データは典型的にはネットワークを通じて大元のデータ収集ノードに送られる必要がある。さらに、制御コマンドはしばしば移動無線ノードに転送される必要がある。これらの制御およびデータ通信をUWB測距機能と組み合わせることは、いくつかの利点を提供できる。しかしながら、測距活動とデータ通信の両方のために同じUWBネットワークを使用すると、ネットワークの全体としてのパフォーマンスが非常に遅くなりがちである。そのような遅いネットワークパフォーマンスは、典型的には、測距データをネットワーク外に伝えるために用いなければならないアドホックなネットワーク利用技術に関連しての追加的な処理オーバーヘッドからの帰結である。実のところ、比較的限られた数のノードについてでさえも、組み合わされた処理負荷は劣悪なシステムパフォーマンスにつながりうる。

本発明は、無線ネットワークを動作させるための装置および方法に関わる。当該無線ネットワークは二つ以上のノードを含むことができる。各ノードは、超広帯域（UWB）測距技術を使ってノード間の距離を決定するよう構成されているUWBトランシーバを含むことができる。ここでの用法では、UWBという用語は、500MHz程度以上の帯域幅をもつ非常に短いパルスに依拠するインパルスベースの諸技法を一般に指す。各ノードはまた、ネットワークプロトコルを使ってノード間でデータを伝達する無線LAN（local area network）を実装するために狭帯域高周波トランシーバをも含むことができる。ここでの用法では、狭帯域という用語は、200MHz程度以下の帯域幅をもつ高周波伝送を指しうる。LANを使って複数のノードにわたって伝送されるデータは、それらのノードのためのコマンドおよび制御データを含みうる。

本発明のある側面によれば、UWBトランシーバは超広帯域測距技術を実行するためだけに使用できる。同様に、狭帯域高周波トランシーバおよびLANは、複数のノードの間でデータを伝達するためにのみ使用できる。

無線ネットワークとともに使われるUWB測距技術は、既知の多様なUWB測距技術のうちから限定なしに選択することができる。たとえば、測距技術は到着時刻（TOA）測距、一方向測距（OWR）、二方向測距（TWR）、到着時間差（TDOA）および受信信号強度指標（RSSI）である。そのような測距技術は当技術分野においてよく知られている。同様に、無線LANのためのネットワークプロトコルは、狭帯域伝送に対応したよく知られた多様なネットワークプロトコルのうちのいずれに基づいたものでもよい。たとえば、ネットワークプロトコルは、IEEE802.11の諸規格の集合またはIEEE802.15諸規格に基づいていてもよい。

本発明はまた、無線ネットワークを動作させるための方法を含みうる。当該方法はいくつかのステップを含むことができる。それには、超広帯域（UWB）測距技術を使って複数ノード間の少なくとも一つの距離を決定することが含まれる。当該方法はまた、LANおよび狭帯域高周波トランシーバを使う複数のノードのそれぞれの間でデータを伝送することを含みうる。たとえば、複数のノードのそれぞれに付随するUWBトランシーバは超広帯域測距技術を実行するためにのみ使うことができるのに対し、前記ノードのそれぞれに付随するLANおよび狭帯域無線トランシーバはデータを伝達するステップのためだけに使うことができる。前記データはコマンドおよび制御通信を含みうる。

装置の場合と同様、当該方法は周知のいくつかのUWB測距技術のうちのいずれを利用してもよい。それには、到着時刻（TOA）測距、一方向測距（OWR）、二方向測距（TWR）、到着時間差（TDOA）および受信信号強度指標（RSSI）が含まれる。当該方法はさらに、前記ネットワークプロトコルを少なくとも一つの標準プロトコルと互換なように選択することを含みうる。たとえば、プロトコルはIEEE802.11規格またはIEEE802.15規格に基づいていてもよい。

超広帯域（UWB）ネットワークは測距およびデータの両方の目的のために使われうる。ここでの用法では、UWBという用語は、非常に短いパルスを使い、少なくとも約500MHzの帯域幅をもつインパルスベースの高周波伝送の諸技法を一般に指す。この種のUWBネットワークは当技術分野においてよく知られている。

図１はスタートポロジーをもつUWBネットワーク１００を示している。古典的なスター型ネットワークトポロジーは一般に、ネットワーク端点１０１のレンジ内にセンサーノード１０２〜１０７があるUWB用途に好適である。メッシュ型トポロジーは普通、ネットワーク２００の一部のセンサーノード２０２〜２０７がネットワークアクセスポイント２０１のレンジ内にないことがありうるようなUWB用途に使われる。メッシュトポロジーをもつUWBネットワークは、比較的短いリンク・レンジを維持したままネットワーク２００をより広い領域に分散させることを許容する。本発明は、スター型トポロジー、メッシュ型トポロジーまた他のいかなるトポロジーをもつネットワークについてでも使うことができる。

図１および図２のUWBネットワークにおいて取得されたUWB測距データは典型的には、当該ネットワークを通じて大元のデータ収集ノードに送られる必要がある。たとえば、この収集ノードは図１および図２のネットワークアクセスポイント１０１、２０１でありうる。さらに、しばしば移動無線ノードに制御コマンドが転送される必要がある。これらの制御およびデータ通信をUWB測距機能と組み合わせる結果として、ネットワークの全体としてのパフォーマンスが非常に遅くなることがある。実のところ、比較的限られた数のノードについてでさえも、組み合わされた処理負荷は劣悪なシステムパフォーマンスにつながりうる。

この限界を乗り越えるため、図１および図２のネットワークにおいて、測距とデータ伝送の機能を分離することができる。たとえば、図１および図２において、ネットワークノード１０１〜１０７および２０１〜２０７のそれぞれは、従来式のUWB測距技法を利用してノード間の距離を決定することができる。しかしながら、ノード間のデータ伝送は、主として、UWB測距ネットワーク上にオーバーレイされた狭帯域の無線LANを使って実行できる。無線LANは、比較的狭帯域の高周波伝送を使ってノード間で通信を行う物理層を含みうる。したがって、きわめて精確なUWB測距が提供される一方、データネットワークの全体としてのパフォーマンスは大幅に改善されうる。以上の構成は、システムのUWB部分から、アドホックな無線データネットワークに典型的に付随する追加的な処理オーバーヘッドを解消する。それはまた、ネットワークが、一般にはUWBとともに使うことのできないキャリアセンス媒体アクセス制御（MAC: medium access control）アルゴリズムを利用することを許容する。

図３は、図１および図２に示したようなネットワークで使うことのできるノード３００の例を示している。ノード３００は、全体としてのネットワークパフォーマンスが改良されるよう測距機能とデータ機能を分離するよう構成されている。各ノード３００は、無線LANトランシーバ３０２およびUWBトランシーバ３０４を含むことができ、これらのトランシーバはそれぞれ少なくとも一つの好適なアンテナ３０７、３１７に結合されている。ノード３００はコンピュータ、武器システム、位置特定装置（GPS）などにリンクされることができる。ノード３００は別個の有線または無線ネットワークに結合されることもできる。

無線LANトランシーバ３０２は、比較的狭帯域の無線LANネットワークを実装するために必要で好適な従来式のトランシーバ回路を含むことができる。たとえば、無線LANトランシーバ３０２は高周波フィルタ３０８、送受信切り換えスイッチ３１０、高周波トランシーバ３１２およびベースバンド・プロセッサ３１４を含むことができる。ベースバンド・プロセッサ３１４は、ポート３１６を使ってネットワーク装置と通信するための好適なデータインターフェース回路を含むことができる。ベースバンド・プロセッサ３１４はさらに、いかなる必要な変調器、復調器、アナログ‐デジタル変換器、デジタル‐アナログ変換器、クロック、制御回路（たとえば好適なプログラムをもつコントローラまたはマイクロプロセッサ）およびメモリをも含むことができる。制御回路は狭帯域無線LANトランシーバ３０２の動作を制御することができる。それには高周波トランシーバ３１２を制御し、媒体アクセス制御（MAC）を管理することが含まれる。

図３に示された型の無線LANトランシーバは当技術分野においてよく知られている。たとえば、無線LANトランシーバ３０２は、802.11または802.15と表されるIEEE規格ファミリーのいずれと互換な装置として構成されることもできる。無線LANトランシーバ３０２はまた、現在知られている、あるいは将来知られうるその他いかなる狭帯域無線ネットワーク規格と互換なものとして構成されることもできる。

ここでの用法では、狭帯域という用語は、UWB型の伝送に比べて実質的に狭い帯域幅をもつ無線伝送を使ったノード間で通信するいかなる無線ネットワークのことでもよいものと理解されるべきである。より具体的には、狭帯域伝送は一般に、200MHz程度未満の帯域幅をもつ高周波伝送を使って通信する無線LAN装置を含むことができる。たとえば、IEEE802.11は、2.4GHzの周波数帯域で周波数ホッピング拡散スペクトル（FHSS: frequency hopping spread spectrum）または直接シーケンス拡散スペクトル（DSSS: direct sequence spread spectrum）を使って動作する。FHSSを使う場合、2.4GHz帯域は1MHz間隔の７５のチャネルに分割される。これに対し、DSSSは2.4GHz帯域をFCCまたは北米領域については１１のチャネルに分割する（欧州またはETSI領域については１３チャネル）。これらのチャネルは指定された中心周波数分離が5MHz、全体としてのチャネル帯域幅が22MHzしかない。以上の仕様にもかかわらず、当業者は上記の伝送に関連する実際の高周波スペクトルはチャネルの22MHz帯域幅（中心周波数から±11MHz）よりもずっと広がっていることを認識するであろう。しかしながら、放射されるエネルギーは、チャネルの中心から11MHzのところで最大信号レベルより30dB低くなければならない。22MHz離れたところではエネルギーは最大レベルより50dB低くなければならない。このように、狭帯域という用語は、より特定的には、50MHz程度未満の帯域幅をもつ高周波伝送を使って通信する無線LANネットワークをも指しうるのである。

UWBトランシーバ３０４は高周波トランシーバ３１８およびUWBベースバンド・プロセッサ３２０を含むことができる。高周波トランシーバ３１８およびベースバンド・プロセッサ３２０のアーキテクチャならびに必要な任意のプログラミングは、ネットワーク中のノード間の距離またはレンジを決定するよう、従来式のUWB測距技術を使って構成できる。選択される具体的な測距技法は決定的ではない。たとえば、測距技法は、到着時刻（TOA）測距、一方向測距（OWR）、二方向測距（TWR）、到着時間差（TDOA）および受信信号強度指標（RSSI）を含むことができる。これらの技法を実装する方法およびプロセスは当技術分野においてよく知られている。同様に、高周波トランシーバ３１８およびベースバンド・プロセッサ３２０についても、ここに記載される必要なUWB測距機能を実行する機能がある限り、任意の好適なアーキテクチャを使うことができる。

ノード３００の動作を制御するためにノード・コントローラ３０６を設けることができる。たとえば、ノード・コントローラ３０６はシステム・リソースを管理し、UWBベースバンド・プロセッサ３２０から狭帯域無線LANトランシーバ３０２へのレンジ情報の流れを制御し、割り込みをさばき、UWBトランシーバの動作を無線LANトランシーバと協働させるために必要な他の任意の活動を実行することができる。

本発明のある側面によれば、UWBトランシーバは超広帯域測距を実行するためだけに使うことができる。同様に、狭帯域無線LANトランシーバ３０２およびその通信相手のLANは、複数のノードどうしの間でデータを通信するためにのみ使うことができる。通信されるデータはいかなる型のデータであってもよい。しかしながら、狭帯域無線LANネットワーク上で通信されるデータは、UWB測距技術を使うことによって決定されたレンジ・データをも含むことができる。たとえば、システムのUWB部分を使って決定された測距データは、ネットワークの狭帯域無線LAN部分を使ってネットワーク中を一つまたは複数のノードに伝搬させられることができる。

当業者は本発明が無線ネットワークを動作させる方法をも含みうることを認識するであろう。該方法は図４のフローチャートで図示されている。当該方法はステップ４０２において、超広帯域（UWB）測距技術を使って複数のノード間の少なくとも一つのレンジを決定することによって開始されることができる。当該方法は任意的にステップ４０４で、そのレンジ・データを狭帯域無線LANトランシーバに伝えることを含むことができる。さらに、当該方法は複数ノードを含む狭帯域無線LANネットワークを通じて該レンジ・データを伝搬させることを含むことができる。このステップは狭帯域無線トランシーバ３０２を使って実現できる。無線LANトランシーバ３０２を使って、狭帯域無線LANネットワークを通じて、コマンドおよび制御データも伝搬させることができる。

本発明のある実施形態によれば、複数のノードのそれぞれに付随するUWBトランシーバは超広帯域測距技術を実行するためにのみ使うことができるのに対し、各ノードに付随するLANおよび狭帯域無線トランシーバはデータを通信するステップにのみ使用できる。しかしながら、本発明はこの点に関して限定されるものではない。したがって、いくつかの測距機能は、複数の狭帯域トランシーバ３０２を有する狭帯域無線LANネットワークを使って実行されうる。同様に、若干の量のデータもUWBトランシーバ３０４を使って通信されることができる。装置の場合と同様、当該方法はいくつかのよく知られたUWB測距技法のいずれを使ってもよい。当該方法はさらに、狭帯域無線LANネットワークのためのネットワークプロトコルを少なくとも一つの標準プロトコルと互換なように選択することを含みうる。たとえば、プロトコルはIEEE802.11規格またはIEEE802.15規格に基づいていてもよい。

本発明を理解するために有用な、スター型トポロジーを示すネットワークの図である。本発明を理解するために有用な、メッシュ型トポロジーを示すネットワークの図である。狭帯域LANネットワークトランシーバおよびUWBトランシーバを含むハイブリッド型ネットワークノードのブロック図である。本発明を理解するために有用なフローチャートである。

符号の説明

３０２無線LANトランシーバ
３０４ UWBトランシーバ
３０６ノード・コントローラ
３０８高周波フィルタ
３１０送受信切り換えスイッチ
３１２高周波トランシーバ
３１４ベースバンド・プロセッサ
３１８ UWB高周波トランシーバ
３２０ UWBベースバンド・プロセッサ
４０２ UWB技術を使ってノード間のレンジを決定
４０４狭帯域の無線LANトランシーバにレンジ・データを通信
４０６狭帯域ネットワークを通じてレンジ・データを伝搬
４０８狭帯域ネットワークを通じてコマンドおよび制御データを伝搬

Claims

超広帯域（UWB）測距技術を使って複数ノード間の少なくとも一つのレンジを決定し、
狭帯域高周波伝送を使って前記複数ノード間で通信する物理層を含む無線LANを使って前記複数ノードのそれぞれの間でデータを通信する、
ことを含むことを特徴とする、無線ネットワークを動作させる方法。
前記複数ノードにそれぞれ付随する複数のUWBトランシーバを、前記超広帯域測距技術を実行するためだけに使うことをさらに含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
前記狭帯域高周波伝送を、データを通信する前記ステップだけのために使うことをさらに含むことを特徴とする、請求項２記載の方法。
前記狭帯域高周波伝送を、コマンドおよび制御の通信のために使うことをさらに含むことを特徴とする、請求項３記載の方法。
前記UWB測距技術を、到着時刻（TOA）測距、一方向測距（OWR）、二方向測距（TWR）、到着時間差（TDOA）および受信信号強度指標（RSSI）からなる群から選択することをさらに含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
複数のノードを有する無線ネットワークであって、各ノードが：
（ａ）少なくとも一つの超広帯域（UWB）測距技術を使って前記複数ノードの間の少なくとも一つのレンジを決定するよう構成されたUWBトランシーバと、（ｂ）狭帯域高周波伝送を使って前記ノード間で通信する物理層を含む無線LANの一部である、前記複数ノードのそれぞれの間でデータを通信する狭帯域高周波トランシーバとを有することを特徴とする無線ネットワーク。
前記複数のUWBトランシーバが前記超広帯域測距技術だけを実行することを特徴とする、請求項６記載の無線ネットワーク。
前記複数の狭帯域高周波トランシーバが前記複数のノードの間でデータを通信することだけを行うことを特徴とする、請求項７記載の無線ネットワーク。
請求項８記載の無線ネットワークであって、前記複数の狭帯域高周波トランシーバがさらにコマンドおよび制御データを通信することを特徴とする、請求項８記載の無線ネットワーク。
前記少なくとも一つのUWB測距技術が、到着時刻（TOA）測距、一方向測距（OWR）、二方向測距（TWR）、到着時間差（TDOA）および受信信号強度指標（RSSI）からなる群から選択されることを特徴とする、請求項６記載の無線ネットワーク。
前記無線LANが、IEEE-802.11規格およびIEEE802.15規格からなる群から選択されるネットワークプロトコルに基づいていることを特徴とする、請求項６記載の無線ネットワーク。